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使用繼電器模型研究串補線路的繼電保護特性

關鍵詞:固定串補電容，距離保護，建模，繼電器模型
　　0引言
　　近年來，我國相繼投運了華東電網陽淮線三堡串補站、華北電網大同一房山蔚縣串補站、豐萬順串補工程以及南方電網天平串補線路等幾項超高壓、大補償度的串補輸電工程。它們的投運對于增大系統傳輸能力、抑制系統可能發生的振蕩、提高系統穩定性都起到了很大的作用。但是在線路中加入串聯補償電容可能會引起電壓反相、電流反相以及出現暫態低頻分量等現象。-5]，對繼電保護產生不利的影響，加大系統繼電保護的復雜性。為了確保繼電保護系統的可靠運行，必須有針對性地分析串補對繼電保護的影響。串聯補償線路的“視在阻抗”很大程度上決定于串補電容的過電壓保護，當過電壓保護動作時繼電器“看到”的電抗是一個值，不動作時“看到”的又是另一個值[f}1。在各種原理的保護類型中基于阻抗測量的距離保護必然會受到固定串補電容較大的影響，因而本文主要論述串聯補償電容給正序電壓極化的歐姆繼電器帶來的影響。
　　目前很多關于串補電容和各種新型FACTS裝置對繼電保護影響研究的文獻都局限在理論分析和實際運行經驗的總結上面，缺乏仿真分析的驗
　　證，例如文獻[1}7]。文獻[fg}9]則介紹了使用RTDS和保護裝置實物進行實時仿真的方案，該方案準確可靠但是成本也比較高。還有一種方案就是對繼電保護進行建模，用以代替保護裝置實物，這種方案極大地降低了實驗成本，而且在保證模型正確性的前提下也具有很高的可信度。文獻[10,川介紹了使用保護模型來實現電力系統與繼電保護之間的閉環仿真方法。本文采用的研究方法是繼電保護建模仿真，仿真工具為PSCAD/EMTDC。在PSCAD中建立了固定串補電容和正序電壓極化的歐姆繼電器的詳細模型，實現了電力系統與繼電保護之間的閉環數字仿真，通過仿真分析研究了固定串補電容可能對距離保護帶來的影響，并提出了相應的解決方案。本文所使用的仿真分析方法對于研究各種新型FACTS裝置對繼電保護的影響也具有一定的參考價值。
　　1模型與方法
　　為了實現對串補線路繼電保護的仿真分析，我們在PSCAD中建立了電網仿真模型、固定串補電容模型以及歐姆繼電器的模型。
　　仿真電網的模型采用如圖1所示的兩機輸電系統進行仿真分析?？紤]到串補的投入不僅對本線路的繼電保護會有影響，還會影響到相鄰線路，因此我們的仿真電網模型中也包括了相鄰線路。系統中安裝有4個距離保護繼電器，Fl, F2, F3,F4為可能的故障地點，它們處于所在線路中的位置分別為5 % , 50%, 95%和5%a PTl和PT2為繼電器2可能選用的電壓互感器。
　　
　　串補電容的主電路仿真模型按照如圖2所示的原理圖搭建。仿真模型考慮了串補電容器、MOV,火花間隙、旁路開關以及放電阻尼回路。MOV、火花間隙和旁??開關共同構成了電容的過電壓保護。MOV是串補本體中一個重要元件，仿真建模中按照工程實際參數定義了MOV的額定電壓以及非線性電壓一電流特性曲線，以保證在實現MOV的各種保護時有較高的**度。固定串補的火花間隙與旁路開關均按照理想開關仿真，并按照工程實際放置了放電回路的阻尼環節?？紤]到實際旁路開關的動作延時，我們在仿真模型中對開關的控制電路也做了相應的設置。
　　保護繼電器的建模是仿真分析的關鍵點之一。文獻[11^-13)對繼電保護建模做了較詳盡的介紹。文獻【12]還將建模仿真的結果與RTDS仿真進行了對比，實驗證明只要模型足夠**，兩者之間的誤差非常小。本文中距離保護的模型是使用PSCAD的自定義模型功能并用FORTRAN代碼來實現的。該模型詳細模擬了實際的數字式距離保護裝置的基木環節，具有轉高的可靠性。
　　

　　該模型被分解成如圖3所示的幾個功能模塊，每一個模塊都模擬實際繼電器中與之對應的硬件或者軟件代碼。要實現對繼電保護裝置的建模，首先就要深入了解圖3中的各個模塊，隔離變壓器、模擬低通濾波器、采樣保持電路、A/D轉換器、數字直流濾波、全波傅氏算法和判斷邏輯的基本原理。然后用適當的建模工具將其實現就可以了。
　　

　　要實現系統模型與保護繼電器模型的閉環仿真，還必須依靠PSCAD/EMTDC與用戶模型之間的接口來實現。PSCAD/EMTDC的自定義模型功能為用戶提供了適合各種類型數據的公用數組作為程序的接口。自定義模型的默認編程語言即為FORTRAN，我們可以非常方便地調用保護繼電器模型的子函數。在進行仿真研究時，我們可以按照系統的實際情況，保護繼電器模型從系統模型中取得電壓電流值，經過運算后其輸出結果又可以直接控制一次系統的開關，改變系統的拓撲結構，真正實現閉環仿真。
　　本文*終建立的正序電壓極化的歐姆繼電器模型包括了瞬時過流元件、相間與接地距離元件的I段、II段以及所有的輔助元件。模型建立了友好的人機界面，提供了可以根據工程實際的保護功能投退以及相關整定值的修改的人機接口。模型還建立了良好的內部數據輸出接口，用戶無須更改源程序便可方便地觀測各種內部數據。
　　2固定串補電容對距離保護的影響分析
　　在實現了保護繼電器模型與串聯補償系統模型之間的閉環仿真的基礎上，我們就可以仿真分析固定串補電容對繼電保護的影響。下面就從串補電容對保護距離、保護方向性以及測量電抗的影響三個方面分別展開。
　　2. 1對保護范圍的影響
　　輸電線路加裝串聯補償電容后，短路阻抗與短路距離之間不再成線性正比關系，這將使距離保護無法正確測量故障距離，對其工作將產生不利的影響。距離保護的測量電抗決定于串補電容是否投入運行和MOV保護是否動作。因為當電容的過電壓保護動作時繼電器“看到”的電抗是一個值，而當過電壓保護不動作時“看到”的又是另一個值。這就給距離保護的保護范圍的整定造成了一定的困難。
　　在實際情況下，保護裝置都是按照其可能遇到的*壞的工作情況來整定的f}l。以圖3中的繼電器2為例，選用母線側電壓互感器PTl，我們試圖保護線路全長的80，如果串補電容的補償度為60 }o當我們將距離保護I段整定為so%，串補電容因為MOV保護不動作而仍然投入運行，那么保護I段的實際保護范圍將會達到140%，這是**不允許的。因此保護的I段必須整定為20%以防止超越保護，但是在這種情況下，如果固定串補電容的MOV保護動作了，保護I段的實際保護范圍將只有20 } ,F2將會被視為區外故障陰。
　　對此我們進行了大量的仿真分析。在整定值不調整和調整兩種情況下對各個繼電器在不同故障下的動作情況進行歸納總結。由于繼電器3正向故障不受影響，反相故障與繼電器2取線路側電壓互感器時反相故障類似，繼電器4與繼電器1類似，我們僅對繼電器1和2進行了仿真分析。表1為整定值不調整情況下各個繼電器在各種情況下的工作情況。表2為整定值按照前面的理論分析調整了之后的情況。表中結果對各種類型故障均適用。
　　

　　可以看到在整定值不調整的情況下若電容的過電壓保護能夠準確動作，那么各個繼電器在各種J清況下均能可靠動作;若電容過電壓保護不動作，那么可能出現超越保護的情況，這是不能允許的。因此必須對原有整定值進行調整。從表2可以看到，調整整定值后超越保護現象不再出現，但是保護范圍卻縮短了。這與前面理論分析的結果完全一致。
　　對于距離保護的II段，如果整定為120%而電容的MOV保護不動作，那么實際保護范圍將達到180，這將可能引起與相鄰線路保護的配合問題，特別是在相鄰線路較短的情況下。但是如果整定為60%而電容MOV保護動作，那么實際保護范圍將只有60%，這對于II段來講又是不可以接受的?；谝陨戏治鑫覀兛梢缘玫揭韵陆Y論:保護I段的整定必須考慮到電容容抗以防止發生超越保護，保護B段的整定不能考慮電容的容抗以防止在電容MOV保護動作情況下發生保護范圍的縮短。
　　前面己經提到距離保護的I段整定值必須嚴格限制以防止超越保護。實際情況下這一保護范圍將可能進一步縮短，因為低頻分量將會引起測量電抗的波動[2]。這一點將在后面詳細論述。
　　2. 2對距離保護方向性的影響
　　由于固定串補電容可能會在系統中引起電壓反相和電流反相，因此可能造成距離保護失去方向性，從而發生正向區內故障拒動和反相故障誤動的情況。以圖1所示系統中的繼電器2為例，當采用母線側電壓互感器PT1時，反向故障與無串補線路相同。正向近端故障時可能會引起電壓反向，從而導致繼電器拒動。同理，當采用線路側電壓互感器PT2時，反向故障繼電器可能會拒動。一般來講，采用帶有記憶作用的極化電壓能夠有效地解決這個問題。
　　為了驗證這一結論，我們進行了仿真分析。圖4是極化電壓的記憶作用對距離元件影響示意圖?？梢钥吹皆诙搪钒l生后極化電壓相角發生大的波動，但是記憶環節卻能在一定時間保證其相角基本不變。對于正向故障，極化電壓記憶作用未消失前距離元件能可靠動作，但記憶作用消失以后就不能保證動作的可靠性了。對于反相故障，極化電壓記憶作用未消失前距離元件能可靠不動作，但記憶作用消失以后就不能保證動作的可靠性了。這與理論分析的結果也是完全一致的。從圖中還可以看到極化電壓的記憶作用持續時間足以保證正向故障不發生拒動反相故障不發生誤動。
　　

　　通過前面的理論分析和仿真分析，我們可以得到采用具有良好記憶作用的正序極化電壓的距離繼電器能夠保證串補線路中距離保護的方向性。
　　2. 3對短路后測量阻抗的影響
　　前面的分析表明，有串補電容線路發生故障時，系統將會有頻率為碼的低頻分量，該低頻分量在以某一時間常數衰減的同時，還以GJ一}o的角速度相對于工頻交流分量轉動[f21。使用繼電器模型能夠十分方便地觀測繼電器的測量電阻電抗值。圖3所示系統中對于故障F4繼電器1測量到的阻抗如圖5斯示，可以看到在沒有考慮到電容的MOV保護時，短路發生后需要較長時間測量阻抗才能夠穩定下來。這種故障阻抗的變化，可能會引起保護區的超越或者縮短。
　　

　　為了更好地分析故障后距離繼電器的測量電阻和電抗，圖6將各種情況下的R一曲線綜合到了一起。*初分別對應于MOV動作和不動作的串聯補償系統的阻抗軌跡完全重合，這是因為串補電容均完全投入，兩者的電路完全一致。在短路發生后的某一時刻兩個曲線開始分開，這是因為電容的MOV保護動作，將電容短路，從而對應MOV動作的串聯補償系統的阻抗軌跡和對應無串補線路的阻抗軌跡迅速收斂到同一點。MOV保護不動作的串聯補償系統的阻抗軌跡則以螺旋的形式逐漸收斂到*終的測量電抗，由于收斂較慢而且有較大的波動，可能會引起保護范圍的超越或者縮短。
　　

　　無論是MOV還是空氣間隙開關，當它們導通時都改變了距離繼電器所“看到”的電抗。但它們的影響還不**于此，當MOV和空氣間隙開關可靠動作時，還能夠有效地抑制低頻分量，縮短暫態過程，從而提高距離保護的可靠性。由此可見串補電容的過電壓保護對距離保護的影響至關重要。
　　3結論
　　只要能夠建立保護繼電器的詳細**模型，完全可以用來代替保護裝置事物研究各種新型裝置對繼電保護帶來的影響。固定串補電容對距離保護范圍可能造成較大影響。若不更改保護的整定值，距離保護在MOV保護不動作的情況下可能會發生超越保護，這是不能允許的，因此需要對保護范圍進行重新整定。在重新整定后又不可避免地引起保護范圍縮短，在補償程度較大線路，距離保護I段可能變得很小。根據理論分析，電壓反相、電流反相引起的距離保護失去方向性的問題，在使用帶記憶作用的極化電壓后一般也能得到很好的解決。仿真分析驗證了這一結論，因為串入電容而正向故障拒動和反相故障誤動的情況均不會出現。固定串補電容可能會引起故障后測量電抗值的波動，這可能會使保護范圍發生超越或者縮短。若電容的MOV保護動作，這個問題可以得到較好的解決。

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